關於5G和衛星,這篇文章講得很全面

為什麼需要衛星通訊?

手機,已經串聯起了我們生活中的一切環節。我們隨時隨地拿出手機,都能暢快地上網。

這一切是如此地理所當然,以至於我們甚至想不到這樣不可思議的問題:

行動通訊網路真的無處不在嗎?

我們都知道,地球雖叫「地」球,但實際上是一個不折不扣的水球,陸地面積只佔29%,海洋麵積佔到了71%。

就這麼點陸地面積,行動通訊網路也僅僅覆蓋了20%;相比之下海洋的網路覆蓋率就更低了,只有5%。

總體算下來,行動通訊網路只覆蓋了全球不到10%的面積!

全球GSM網路覆蓋

全球GSM網路覆蓋

海洋裡住不了人沒有覆蓋很好理解,陸地上的覆蓋率為什麼這麼低呢?看下面這張圖就明白了。

全球人口密度

全球人口密度

原來,陸地上適合人居住的地方本就不多。行動通訊網路沒有覆蓋到的地方,大多都是沙漠,叢林,冰原等人跡罕至的地方。

在這種地方建地面基站純屬虧本買賣,自然就成了信號的盲區。

可是,海洋上有各種各樣的船隻要上網,陸地上人跡罕至的地區也不是完全沒人去。這些被遺忘的邊緣地帶的通訊需求該如何滿足?

此外,洪水、地震、海嘯等自然災害往往導致斷電、斷網、斷路,使救援工作困難重重。

在此等危急時刻,如何打通救援的生命線?

上述問題的本質是:怎樣建設一張覆蓋全球,不受地面環境限制的通訊網路?

於是,人們把目光投向了天空,期望通訊基站像星光和月光一樣,不管底下的大地是繁華還是貧瘠,是平原還是戈壁,都能把信號毫無偏見地灑滿大地。

這樣的方案還真有,就是「衛星通訊」。

衛星通訊如何實現?

衛星通訊如何實現?

雖然我們口頭上經常把仰頭所能看到的外部世界叫做「天空」,但實際上,「天」和「空」的概念,是截然不同的。

「空」指的是地球表面到大氣層之內的高度範圍,通過氣球、飛機、飛艇等航空器可達;而大氣層之外的空間,才可以稱之為「天」,一般需要通過火箭才可到達。

「空」和「天」一般以海拔100千米為界,也被稱作「卡門線」。這是由美國工程師和物理學家西奧多·馮·卡門通過研究航空器的極限飛行高度得出的。也就是說,地球大氣層的極限為100千米,再往上就是地球外部的茫茫宇宙了。

能實現「上天」的通訊載體,就是各式各樣的通訊衛星。它們無時無刻不在我們頭上游弋,既熟悉又陌生。

衛星軌道的高低,一般分為低軌、中軌、地球靜止軌道和高軌。

低軌(Low Earth Orbit,LEO):距地面高度低於2000千米的衛星系統。由於低軌道衛星離地球近,有著路徑損耗小,傳輸時延低(一般小於10毫秒)的特點。

隨著發射成本的逐年降低,多個LEO衛星可組成星座來實現真正的全球覆蓋,頻率複用更有效。因此,LEO 系統被認為是最有應用前景的衛星網際網路技術。

中軌(Medium Earth orbit,MEO):距地面高度2000km~35786Km,傳輸時延一般小於50毫秒,要大於低軌道衛星,但覆蓋範圍也更大。當軌道高度為10000Km時,每顆衛星可以覆蓋地球表面的23.5%,因而只要少量衛星就可以覆蓋全球。

地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO):距地面高度35786km,即同步靜止軌道。也就是說,GEO衛星運動的角速度和地球自轉相同,因此從地球上看這些衛星是相對靜止的。

理論上,用三顆地球靜止軌道衛星即可以實現全球覆蓋。但是,同步衛星有一個不可避免的缺點,就是軌道離地球太遠,鏈路損耗嚴重,信號傳播時延一般為250毫秒以上,遠大於LEO和MEO。

高軌(High Earth Orbits,HEO):距地面高度大於35786km。此外還有橢圓軌道等,相比於前面幾種,這些技術的應用較少,在此不再贅述。

這些不同軌道的距離尺度以數字的形式來看感受不明顯,從下圖可以看出,中軌和高軌以地球同步靜止軌道為分界線,它們高度範圍是非常寬廣的。相比之下,低軌則離地面非常近,可容納的衛星自然就少得多。

根據賽迪顧問研究報告資料,地球近地軌道可容納約6萬顆衛星。據預測,到2029年,地球近地軌道將部署總計5.7萬顆低軌衛星。

目前,單單一個SpaceX的星鏈,就已經規劃了4.2萬顆衛星。這麼稀缺的資源,你不搶,有的是人搶。因此,隨著衛星網際網路的發展,低軌衛星的建設已炙手可熱。

要採用衛星來實現遠距離無線通訊,頻譜資源也是至關重要的。

隨著容量的需求,衛星通訊使用的頻段從中頻L、S波段到Ku、Ka,再到毫米波一路向上,頻率越來越高,頻寬也越來越大。

衛星通訊頻段和空間軌道資源一樣都屬於「不可再生資源」,國際原則是「先登先佔」的使用模式。目前低軌衛星的主要通訊頻段(Ku 和 Ka)已趨於飽和。

衛星通訊的架構和終端

衛星通訊系統的組成可以分為三部分:空間段、地面段和使用者段。

衛星系統架構(來源:Starlink)

衛星系統架構(來源:Starlink)

空間段指的主要就是天上的由多顆通訊衛星組成的星座,以及衛星之間的通訊鏈路(ISL,Inter-satellite Link,也叫星間鏈路)。

地面段主要包含地球站(也可稱作網關),以及業務控制、監控管理、時間注入等輔助部分。地面網路的傳輸、核心網等網元也可以看作地面段的一部分。

使用者段指的是接入衛星的終端,主要包含天線(我們常說的「鍋」)、信號處理並提供網路接入能力的設備(如路由器等)、接入網路的終端(手機、電腦等)。

農村數字連接中心(來源:Starlink)

從上圖可以看出,在有線網路和無線網路均沒有覆蓋的地方,要實現低成本的上網,只需在房頂上安裝衛星天線,連接室內的路由器即可實現電腦、筆記本、手機等終端共同上網。

如果想在野外隨時隨地上網,Starlink的方案依然是攜帶小尺寸的電子相控陣天線和路由器。

標準尺寸的天線功耗為50~75瓦,路由器也需供電,因此,車載電源是必不可少的。看上圖,一人在靜謐的星空下獨享衛星高速網路,好不愜意。

Starlink 的使用者終端(來源:維基百科)

如果你僅僅是在緊急情況下有語音通訊需求,想要甩掉笨重的天線輕裝上陣,那麼你就需要一部專用的行動式衛星電話。

衛星電話長什麼樣呢?

下圖是美國2022年銷量最好的三款衛星電話,支持Inmarsat(國際海事衛星)或者Iridium(銥星)這兩種主流的衛星通訊系統。

乍一看,這初號機的造型、9 宮格按鍵、又粗又大又長的天線,莫非是穿越到了20年前?

再看價格,好傢伙,就支持些打電話、發簡訊、GPS、緊急呼叫等我們看來2G手機自誕生起就支持的功能,竟然賣到了接近1600美元,約等於人民幣一萬多。

我們再來看看國內的衛星通訊系統和衛星電話是什麼樣的。

2020年1月10日,我國自主建設的第一個衛星行動通訊系統——天通系統,正式面向全社會提供服務,由中國電信運營。

天通一號01衛星可以提供速率為1.2 kbps的語音業務和最大384 kbps的資料通訊業務。雖然容量比較低,但提供應急通訊服務還是可以的。

2022年5月17日,電信推出「天地翼卡」,宣稱使用者不用換SIM卡,也不用換手機號就能打衛星電話,永不失聯!如果能收到地面基站的信號,4G和5G網路也能正常用。

雖說不用換卡換號,但手機卻是必須要換的。蜉蝣君在某購物平臺搜了下,支持天通系統的手機型號還是不少的,價格從幾千到上萬的都有,旗艦機確實可以支持5G。

下圖是電信2020年主推的一款可支持4G和天通衛星的手機。看起來顏值是比傳統的衛星電話高了些,但價格也確實是貴。

這其中的原因,一是衛星電話的定位並不是給普通人用的消費品,而是專門給野外、遠洋工作者使用的工業品,需要在惡劣的環境下穩定工作,成本確實也比較高;二是衛星通訊產業的使用者比較少,系統和終端成本都難以攤薄。

我們從下面的產品介紹中就可以窺見其中端倪。

至於資費,那就更能看出衛星電話的定位了:100元60分鐘通話,簡訊0.4元一條,300元20M流量。

這價格,也確實只能在十萬火急的時候滿足最關鍵的通訊需求。

由此看來,衛星通訊,和我們的日常生活之間的鴻溝,無疑是巨大的:使用場景少,手機不好用,資費還很貴。

5G和衛星通訊的融合

那麼衛星手機,是否有走進消費領域的希望呢?

今年,華為推出了支持北斗衛星短報文的Mate 50旗艦機,蘋果也跟Globalstar(全球星)合作推出了支持衛星求救的iPhone14。這兩款產品揭開了衛星通訊探索消費領域的序幕。

據悉,華為Mate 50可以通過北斗衛星給個人定向發送文字、位置、軌跡圖等資訊,但內容會被審核,只有跟救援相關的資訊才能被髮送,而且收不到回覆。

iPhone14可以發佈的內容也是預設的求救信號,且自帶定位座標,但不能定向發給個人,訊息會統一發送至公立或付費的救援機構,但能收到救援機構的回覆。

由此可見,目前在消費領域,手機上的衛星通訊和地面的4G、5G網路還是兩套獨立的系統,技術上並沒有進行融合,且衛星僅定位於應急通訊,這一點跟傳統的衛星電話並沒有本質的差別。

甚至,由於技術上的限制,華為和蘋果的這兩款手機連衛星電話都還打不了。

那麼,我們能否更進一步,讓這兩套系統融合起來,衛星直接發送5G信號? 這樣一來,我們可能連手機都不用換,在荒郊野嶺就直接能通過衛星來連上5G了!

答案是肯定的。且Starlink在這方面已經走出了第一步。

今年8月25日,SpaceX宣佈和T-Mobile將達成頻譜共享,新一代的Starlink V2衛星將通過1.9GHz來向現網的手機提供服務。

現網的手機可不像專用的衛星電話一樣有碩大的天線,發射功率也被協議定在了很低的水平(一般是0.2瓦)。因此要達成目標只能在衛星上下功夫。

Starlink V2衛星對信號接收能力進行了增強,將衛星天線加長到7米,面板增加到25平米,通訊性能達到上一代V1的10倍。

這樣一來,現網已有的手機終於可以直連衛星上5G了,預計吞吐率可達2~4Mbps。

這速率,雖說跟通常意義上5G動輒幾百兆的速率不能相比,但支持打電話是不在話下的,流暢上網也是可以保證的。

跟地面上的5G網路相比,這種飄在天上的5G網路自然就叫做「非地面網路(Non-Terrestrial Network)」,簡稱作NTN。

廣義的NTN包含的範圍很廣,有無人機、地對空通訊、高空基站、衛星網路等等。基於衛星的NTN自然是最受關注的重點,因此在一般情況下,我們說的NTN都是基於衛星的。

下圖是3GPP對於NTN技術標準化的進展及計劃。可以看出,在R15和R16,5G NTN還處於研究階段;從R17開始,5G通過NTN的接入技術已開始了標準化,並將在後續版本不斷向前推進。

NTN的思路是:衛星發射5G信號,直接和使用者的手機相連,地面上再架設信關站作為網關,最終連接到5G核心網。

其中,衛星和使用者之間的鏈路叫做服務鏈路(Service Link);衛星和信關站之間的鏈路叫做饋電鏈路(Feeder Link);衛星之間的鏈路叫做星間鏈路(Inter-Satellite Link,ISL)。

在目前的NTN相關協議中,定義了兩種實現架構,分別是「透明載荷」和「可再生載荷」。

所謂「透明載荷」,也稱作透明轉發,實際上把衛星僅當作信號中繼的鏈路。5G基站作為地面網路的一部分部署在信關站的後面。衛星不關注基站發了什麼,對信號也不做任何處理,只要流暢地把手機和信關站連起來就好。

透明載荷架構可以利用已有衛星,技術上實現起來較為容易,成本也低,但衛星和基站之間的路徑長,時延大,不支持星間協作,需部署大量信關站。

可再生載荷,又稱作基站上星,相當於把5G基站部署在了衛星上。衛星和衛星之間的星間鏈路就跟地面基站之間的Xn接口一樣;衛星和信關站之間的饋電鏈路,實際就是基站跟核心網之間回傳網路的一部分。

可再生載荷這種架構必須改造並新發射衛星,技術複雜,成本高。優點是手機和衛星基站之間的時延短,且由於有星間鏈路的存在,信關站可以少部署一些。

在這兩種架構的基礎上,要實現5G NTN,本質上是將衛星通訊和地面蜂窩通訊這兩種原本涇渭分明的系統進行融合。

然而,蜂窩通訊協議從2G、3G、4G,再到5G,針對地面網路的場景這麼一路演進過來,要和衛星通訊相融合的挑戰是巨大的,協議上要進行大量的更新。

1、高傳輸時延。GEO衛星的傳輸時延可達250毫秒以上(針對透明轉發衛星),如此高的時延將極大地影響基站和手機間互動的時效性,特別是接入和切換等需要多次信令互動的過程。

在這麼高的時延下,很可能系統的定時器早都超時重啟了,信令還沒送達。因此,需要對相關協議流程進行改進或者重新設計。

2、多普勒頻移

2、多普勒頻移。由於非地球同步軌道衛星是相對地球高速運動的,這會導致嚴重的多普勒頻移。

地面5G系統在一般場景下要處理的頻偏是非常小的,即使是在高鐵等特殊場景,也僅需考慮數千赫茲的頻偏補償。

然而對於低軌衛星系統,不但需要處理幾十千赫茲甚至兆赫茲級別的多普勒偏移,還有數十微秒的定時漂移。這些對於5G NTN系統的設計是一個巨大的挑戰。

3、超大小區半徑。地面蜂窩網路小區一般就幾百米到幾千米,超遠覆蓋也就到一百多千米,而NTN小區的覆蓋範圍要大得多,LEO波束可達1000千米,GEO波束可達3500千米。

因此,衛星小區中心和邊緣的時延差異等將更加明顯,對系統定時同步也會帶來一定的影響。5G是同步通訊系統,因此需要增強同步機制從而避免使用者間干擾。

4、移動性管理

4、移動性管理。由於非地球同步軌道衛星相對使用者是高速運動的,這會導致頻繁的小區切換和重選等移動性問題。

一方面,在移動性管理決策中,需要將小區的移動狀態資訊等納入考量,避免不必要的切換或重選;另一方面,可進一步利用小區的移動狀態資訊,進行預先的小區或波束切換,減少信令互動開銷。

這些技術上的挑戰固然棘手,但沒關係,只要有需求,只要市場在,隨著各路專家的不懈努力,技術總會找到出路。

未來之路的期許

就在2022年,我們已經看到了業界一個個堅實的腳步。

6月21日,紫光展銳宣佈,其已聯合北京鵬鵠物宇,完成全球首個基於 R17 IoT-NTN 標準的 5G衛星物聯網上星實測。

7月11日,愛立信、高通及法國航空航天公司泰雷茲聯合完成「5G手機直連LEO衛星」的研究,並將在LEO軌道衛星網路上部署5G進行測試。

7月28日,諾基亞和AST SpaceMobile達成五年協議,將建設一張4G、5G手機可訪問的天基移動寬頻網路。預計將採用透明載荷架構,諾基亞主要提供地面基站。

8月17日,聯發科宣佈,其已經和羅德施瓦茨公司合作,在實驗室完成全球首次基於3GPP R17標準的5G NTN的衛星和手機直連測試。實驗室模擬的LEO衛星高度為600千米,移動速度高達每小時27000千米。

8月26日,中國移動、中興通訊和交通運輸通訊資訊集團等單位合作,共同發佈全球首個基於3GPP R17的運營商5G NTN技術外場驗證成果。本次測試基於GEO衛星,ping 64位元組時延約4s,實現了文字短訊息、語音對講等業務。

圖片來源:中興通訊官網

圖片來源:中興通訊官網

可以看出,這些計劃和測試目前還都處於比較初級的階段,但是卻真實不虛地驗證了NTN技術架構是可行的,這就是從「0」到「1」的突破。

5G NTN,正是衛星通訊和地面通訊融合的產物,是一顆希望的種子。

期望在不久的未來,我們每一個人的手機,都可以在杳無人跡的沙漠荒原,在波濤洶湧的茫茫大海,在被自然災害蹂躪下的殘破家園,都能接收到來自衛星的滿格信號。

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